Polibky kružnic: Archimedes

Podobné dokumenty
Polibky kružnic: Intermezzo

MATEMATIKA. Stavby z kostek

Různostranný (obecný) žádné dvě strany nejsou stějně dlouhé. Rovnoramenný dvě strany (ramena) jsou stejně dlouhé, třetí strana je základna

Shodná zobrazení. bodu B ležet na na zobrazené množině b. Proto otočíme kružnici b kolem

2. Vyšetřete všechny možné případy vzájemné polohy tří různých přímek ležících v jedné rovině.

MATEMATIKA. Z pohledu psychologů jsou pro rozvoj geometrické představivosti důležitá

Užití stejnolehlosti v konstrukčních úlohách

PLANIMETRIE úvodní pojmy

Rozpis výstupů zima 2008 Geometrie

Čtyři body na kružnici

Syntetická geometrie II

PLANIMETRIE 2 mnohoúhelníky, kružnice a kruh

A STEJNOLEHLOST,, EUKLIDOVYE VĚTY 2.

Zajímavé matematické úlohy

Univerzita Karlova v Praze Pedagogická fakulta

Pomocný text. Kruhová inverze

Syntetická geometrie I

5. P L A N I M E T R I E

P L A N I M E T R I E

s dosud sestrojenými přímkami a kružnicemi. Abychom obrázky nezaplnili

Úlohy domácí části I. kola kategorie C

Kružnice, úhly příslušné k oblouku kružnice

Každá kružnice má střed, označuje se S. Všechny body kružnice mají od středu S stejnou vzdálenost, říká se jí poloměr kružnice a označujeme ho r.

Návody k domácí části I. kola kategorie A

MATEMATIKA. Problémy a úlohy, v nichž podrobujeme geometrický objekt nějaké transformaci

Předmět: Ročník: Vytvořil: Datum: MATEMATIKA DRUHÝ MGR. JÜTTNEROVÁ Název zpracovaného celku: PODOBNOST A STEJNOLEHLOST PODOBNOST

Vzorce počítačové grafiky

3 Geometrie ve škole. krychle a její obrázek, koule a její stín, průměty trojrozměrného útvaru do roviny

5 Pappova věta a její důsledky

Syntetická geometrie I

GEOMETRIE PLANIMETRIE Úlohy k rozvoji geometrické představivosti Úlohy početní. Růžena Blažková

Trojúhelník a čtyřúhelník výpočet jejich obsahu, konstrukční úlohy

X = A + tu. Obr x = a 1 + tu 1 y = a 2 + tu 2, t R, y = kx + q, k, q R (6.1)

p ACD = 90, AC = 7,5 cm, CD = 12,5 cm

49. roënìk matematickè olympi dy, III. kolo kategorie A. BÌlovec, 9.ñ12. dubna 2000

66. ročníku MO (kategorie A, B, C)

A[a 1 ; a 2 ; a 3 ] souřadnice bodu A v kartézské soustavě souřadnic O xyz

od zadaného bodu, vzdálenost. Bod je střed, je poloměr kružnice. Délka spojnice dvou bodů kružnice, která prochází středem

( ) ( ) 6. Algebraické nerovnice s jednou neznámou ( ) ( ) ( ) ( 2. e) = ( )

M - Pythagorova věta, Eukleidovy věty

DIDAKTIKA MATEMATIKY

Téma 5: PLANIMETRIE (úhly, vlastnosti rovinných útvarů, obsahy a obvody rovinných útvarů) Úhly 1) Jaká je velikost úhlu? a) 60 b) 80 c) 40 d) 30

Návody k domácí části I. kola kategorie B

Úlohy krajského kola kategorie A

ZÁKLADNÍ PLANIMETRICKÉ POJMY

ICT podporuje moderní způsoby výuky CZ.1.07/1.5.00/ Matematika planimetrie. Mgr. Tomáš Novotný

Syntetická geometrie I

Zajímavé matematické úlohy

Definice 3. Kruhová inverze určená kružnicí ω(s, r) (viz Obr. 6) je zobrazení, které každému bodu X S přiřadí bod X tímto způsobem:

Syntetická geometrie I

Syntetická geometrie I

11. VEKTOROVÁ ALGEBRA A ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ. u. v = u v + u v. Umět ho aplikovat při

8 Podobná (ekviformní) zobrazení v rovině

STEREOMETRIE. Tělesa. Značení: body A, B, C,... přímky p, q, r,... roviny ρ, σ, τ,...

11. VEKTOROVÁ ALGEBRA A ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ

Syntetická geometrie I

Čtyřúhelník. O b s a h : Čtyřúhelník. 1. Jak definovat čtyřúhelník základní vlastnosti. 2. Názvy čtyřúhelníků Deltoid Tětivový čtyřúhelník

Obrázek 101: Podobné útvary

pro každé i. Proto je takových čísel m právě N ai 1 +. k k p

Úlohy domácího kola kategorie B

1. jarní série Termín odeslání: 4. února 2019

Úlohy MO z let navržené dr. Jaroslavem Švrčkem

Počítání v planimetrii Michal Kenny Rolínek

Opakování ZŠ - Matematika - část geometrie - konstrukce

[obr. 1] Rozbor S 3 S 2 S 1. o 1. o 2 [obr. 2]

přístupu k řešení dané úlohy je nutnost uvedení poměru na základní tvar.

Konstrukční úlohy. Růžena Blažková, Irena Budínová. Milé studentky, milí studenti,

63. ročník matematické olympiády Řešení úloh krajského kola kategorie B. 1. Odečtením druhé rovnice od první a třetí od druhé dostaneme dvě rovnice

9. Planimetrie 1 bod

Cesta z roviny do prostoru od vlastností kružnic ke kulové inverzi

Sada 7 odchylky přímek a rovin I

SHODNÁ ZOBRAZENÍ V ROVINĚ

TROJÚHELNÍK 180. Definice. C neleží v přímce. Potom trojúhelníkem ABC nazveme průnik polorovin ABC, BCA, Nechť body. Viz příloha: obecny_trojuhelnik

Konvexní útvary. Kapitola 4. Opěrné roviny konvexního útvaru v prostoru

Patří mezi tzv. homotetie, tj. afinní zobrazení, která mají všechny směry samodružné.

Základní pojmy: Objemy a povrchy těles Vzájemná poloha bodů, přímek a rovin Opakování: Obsahy a obvody rovinných útvarů

Několik úloh z geometrie jednoduchých těles

Úlohy domácí části I. kola kategorie B

PODOBNÁ ZOBRAZENÍ V ROVINĚ (včetně stejnolehlosti)

Návody k domácí části I. kola kategorie C

(4x) 5 + 7y = 14, (2y) 5 (3x) 7 = 74,

SHODNÁ A PODOBNÁ ZOBRAZENÍ V ROVINĚ

Omezíme se jen na lomené čáry, jejichž nesousední strany nemají společný bod. Jestliže A 0 = A n (pro n 2), nazývá se lomená čára uzavřená.

Úlohy krajského kola kategorie C

Pracovní listy MONGEOVO PROMÍTÁNÍ

Úlohy domácí části I. kola kategorie C

PLANIMETRIE, KONSTRUKČNÍ ÚLOHY V ROVINĚ

Geometrická zobrazení

Přípravný kurz - Matematika

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

Obrázek 34: Vznik středové kolineace

Cyklografie. Cyklický průmět bodu

Úlohy krajského kola kategorie A

Eukleidés. Leonardo Pisánský

Návody k domácí části I. kola kategorie A

Rozvinutelné plochy. tvoří jednoparametrickou soustavu rovin a tedy obaluje rozvinutelnou plochu Φ. Necht jsou

Trojúhelník. MATEMATIKA pro 1. ročníky tříletých učebních oborů. Ing. Miroslav Čapek srpen 2011

65. ročník matematické olympiády III. kolo kategorie A. Pardubice, dubna 2016

1.1 Napište středovou rovnici kružnice, která má střed v počátku soustavy souřadnic a prochází bodem

Transkript:

Obr. 14 Obr. 15 L i t e r a t u r a [1] Odvárko, O. Kadleček, J.: Matematika [3] pro 6. ročník základní školy. Prometheus, Praha, 2011. [2] Odvárko, O. Kadleček, J.: Pracovní sešit z matematiky pro 6. ročník základní školy. Prometheus, Praha, 2011. Polibky kružnic: Archimedes PAVEL LEISCHNER Pedagogická fakulta JU, České Budějovice Z arabských překladů Thabita ibn Qurry (836 901) jsou známy dvě práce, v nichž Archimedes (387 212 př. n. l.) zkoumal vlastnosti různých konfigurací kružnic a přímek. První z nich, Kniha o dotycích kruhů, je dostupná snad jen z Rozenfeldova překladu [1, s. 422 440] do ruštiny. Na konci článku z ní uvedeme několik úloh. Druhý spis, Kniha lemmat ([5, s. 301 318] nebo [1, s. 391 400]), byl doplněn arabským učencem Almochtassem Abilhasanem Hali Ben Ahmadem. Nelze v něm přesně rozlišit, co je původní a co bylo přidáno později. Není však pochyb, že poznatky o arbelu (obuvnickém noži) pochází od Archimeda. Seznámíme se s nimi. Věta L1 1 Mají-li kružnice m(m; r 1 ) a n(n; r 2 ) s vnitřním dotykem v bodě T rovnoběžné průměry AB a CD (označené v souladu s obr. 1), pak bod 1 Písmenem L označujeme věty z Knihy lemmat a písmenem K věty z Knihy o dotycích kružnic. Číslo odpovídá pořadovému číslu věty v příslušné publikaci. Texty vět a důkazů, i symboly, jsem upravil do dnešní formy vyjadřování, obsah je zachován. Matematika fyzika informatika 24 2015 87

B leží na přímce T D a bod A na přímce T C. Analogické tvrzení platí i tehdy, když mají kružnice vnější dotyk. Obr. 1 K důkazu věty L1 Z dnešního pohledu je věta zřejmým důsledkem stejnolehlosti kružnic. Archimedes ji dokázal výpočtem velikosti úhlu T BD. Využil rovnoběžník KBN M a podobnost rovnoramenných trojúhelníků BT N a DBK (obr. 1). Arbelos Je-li AB úsečka s vnitřním bodem C, pak útvar ohraničený polokružnicemi m, n a k umístěnými po řadě nad průměry AB, AC a CB v téže polorovině s hraniční přímkou AB nazveme arbelos ABC. Věta L5 Jestliže v arbelu ABC označíme t společnou tečnu kružnic k a n s bodem dotyku C (obr. 2), pak kružnice vepsané do útvarů ohraničených čarami m, n, t a m, k, t jsou shodné. Důkaz. V souladu s obr. 2 označme u a v vepsané kružnice, HE průměr kružnice u rovnoběžný s úsečkou AB a F, G body dotyku kružnice u s polokružnicemi m, n. Podle věty L1 jsou (A, H, F ), (B, E, F ), (A, G, E) a (C, G, H) kolineární trojice bodů. Nechť je dále D průsečík přímky AF s tečnou t a J průsečík polokružnice m s přímkou AE. Bod E je ortocentrum trojúhelníku ABD, neboť je průsečíkem jeho výšek BF a DC. Je tedy AE BD. Podle Thaletovy 88 Matematika fyzika informatika 24 2015

věty je pravý i úhel AJB. To znamená, že bod J leží na přímce BD a BD CH. Odtud a z faktu, že i AC HE, plyne AB : BC = AD : DH = AC : HE a pro průměr d = HE kružnice u dostáváme d = AC CB. (1) AB Ze symetrie vztahu je zřejmé, že totéž platí pro průměr d kružnice v. Kružnice u a v jsou shodné. Obr. 2 K důkazu věty L5 Problém L6 V arbelu ABC je AC : CB = 3 : 2 (nebo jiný poměr). Určete poměr GH : AB, kde GH je průměr kružnice u vepsané do arbelu. Řešení. Nechť GH AB a D, E, F jsou po řadě body dotyku kružnice u s polokružnicemi m, n, k (obr. 3). Podle věty L1 jsou (D, G, A), (D, H, B), (E, A, H), (E, C, G), (F, B, G) a (F, C, H) kolineární trojice bodů. Označme ještě R průsečík úsečky BD s polokružnicí k, S průsečík úsečky AD s polokružnicí n a L, M, P, Q průsečíky přímek CS a AE, CR a BF, GL a AB, HM a AB (v uvedeném pořadí). Matematika fyzika informatika 24 2015 89

Podle Thaletovy věty jsou úhly AEC, ASC, CF B a CRB pravé, tedy L je ortocentrem trojúhelníku ACG a M ortocentrem trojúhelníku CBH. Přímky GL a HM jsou kolmé na AB a platí GP HQ. Obr. 3 K řešení problému L6 Z faktů CS BD a GP HQ dostáváme AC : CB = AL : LH = AP : P Q (2) a ze vztahů CM AG a HQ GP analogicky plyne BC : CA = BM : MG = BQ : QP. (3) Vztahy (2) a (3) vedou k rovnosti AP : P Q = P Q : QB. (4) Délky AP, P Q a QB jsou tedy po sobě jdoucí členy geometrické posloupnosti s kvocientem q = AP P Q = AC BC = 3 2. (Archimedes napsal, že úsečky AP, P Q a QB jsou v souvislém poměru.) Odtud plyne BQ : QP : P A : AB = 4 : 6 : 9 : 19, resp. pro AC : CB = λ : 1 90 Matematika fyzika informatika 24 2015

dostaneme Závěr. Platí BQ : QP : P A : AB = 1 : λ : λ 2 : ( 1 + λ + λ 2). GH = P Q = 6 19 AB, resp. GH AB = λ 1 + λ + λ 2. Komentář. Když v daném pořadí označíme r 1, r 2 a x poloměry kružnic n, k a u, má kružnice m poloměr r 1 + r 2 a λ = r 1 /r 2. Výsledek problému L6 pak můžeme upravit na tvar x = r2 1 r2 2 r1 3 r 1 r 2. (5) r3 2 Uvádí se, že Thales z Milétu (624 547 př. n. l.) určoval výšky pyramid a vzdálenosti lodí na moři pomocí podobnosti trojúhelníků. Jestliže je ABC trojúhelník a D, E body, které leží po řadě na přímkách AB, AC a zároveň na rovnoběžce s přímkou AB, pak platí DE BC = AD AB = AE AC. (6) Toto tvrzení se v řadě zemí nazývá Thaletova věta. Bylo jedním z klíčových bodů Archimedovy argumentace. Odvolával se na rovnoběžnost přímek, nikoliv na podobnost trojúhelníků. Dnes bychom užili rčení, že rovnoběžné promítání zachovává poměry odpovídajících si úseků na přímkách různoběžných se směrem promítání. Obr. 4 Thaletova věta o podobnosti V obou postupech Archimedes nejprve uplatnil větu o průsečíku výšek trojúhelníku k důkazu rovnoběžnosti vhodných přímek a pak našel potřebné vztahy pomocí rovnoběžných průmětů. Brilantní úvahy, jimž neubylo na svěžesti ani po dvou tisíciletích. Matematika fyzika informatika 24 2015 91

Občas se můžeme setkat z názorem, že věta o průsečíku výšek v trojúhelníku nebyla ve starověkém Řecku známa, protože se nevyskytuje v Euklidových Základech. Archimedes ji znal a má se za to, že ji odvodil. Podle [8] pocházejí její první známé korektní důkazy až ze 17. století a ortocentrum trojúhelníku se ve starších publikacích nazývá Archimedův bod. Ve čtvrtém století Archimedovy poznatky obdivuhodně doplnil Pappos Alexandrijský. Dokázal zřejmě již starší hypotézu o řetězci kružnic vepsaných do arbelu. Pappova věta o kružnicích Do daného arbelu ABC vepišme kružnici k 1, aby se dotýkala hraničních polokružnic m, n a k 0. Dále vepíšeme kružnici k 2 do útvaru ohraničeného čarami m, n a k 1 a postup analogicky opakujeme. Vytvoříme tak řetězec kružnic k 1, k 2, k 3,... (obr. 5). Jsou-li O 1, O 2, O 3,... po řadě středy kružnic řetězce a h 1, h 2, h 3,... vzdálenosti těchto středů od přímky AB, platí h 1 = d 1, h 2 = 2d 2, h 3 = 3d 3,.... (7) Obr. 5 Řetězec kružnic vepsaných do arbelu Důkaz. V komentovaném překladu [7] čtvrtého dílu Pappovy Sbírky pokrývá důkaz věty o kružnicích 16 stránek. Dnes ji umíme zdůvodnit jediným obrázkem, k němuž znalec kruhové inverze snad ani nepotřebuje následující komentář. V kruhové inverzi, jejíž základní kružnice z má střed v bodě A a navíc je ortogonální k j-té kružnici Pappova řetězce (obr. 6 pro j = 2), se kružnice k j zobrazí na sebe. Kružnice m a n se inverzí zobrazí na tečny m a n 92 Matematika fyzika informatika 24 2015

kružnice k j, přičemž m AB a n AB. Kruhová inverze zachovává body dotyku. Obrazy ostatních kružnic tedy vytváří v pásu m n řetězec kružnic shodných s kružnicí k j. Zřejmě je h j = 2jr j = jd j. Obr. 6 Důkaz užitím kruhové inverze Některé další poznatky o arbelu najde čtenář v článcích [4] a [10]. O Archimedovi a Descartesovi se lze více dozvědět v publikacích [2] a [3]. Z úloh uvedených níže jsou poslední čtyři převzaty z Archimedova spisu O dotycích kruhů. Úloha K21 má úzký vztah ke kruhové inverzi, podle Rozenfelda známé již Apolloniovi z Pergy (262 190 př. n. l.), a k tzv. Apolloniově kružnici, kterou používal Aristoteles (384 322 př. n. l.) při zdůvodňování kruhového tvaru duhy [9, s. 113 116]. S úlohou K22 souvisí některé novodobé poznatky z geometrie trojúhelníku (viz např. [6, s. 1 16]). Úlohy 1. Nechť AB je úsečka s vnitřním bodem C a m, n, k jsou po řadě kružnice s průměry AB, AC, CB. Poloměry menších dvou kružnic označíme r 1 a r 2. Pomocí Descartesovy věty (viz vztah (1) z předchozího dílu seriálu) dokažte, že poloměr x každé kružnice, která se dotýká kružnic m, n a k je dán vztahem (5) z tohoto článku. 2. (L4) V arbelu ABC označme D průsečík největší hraniční polokružnice se společnou tečnou menších polokružnic sestrojenou v bodě C. Dokažte, že obsah arbelu je roven obsahu kruhu o průměru CD. Matematika fyzika informatika 24 2015 93

3. (K1) V rovině je dáno několik kruhů se středy na téže přímce a každý z nich se se vně dotýká svých sousedů. Dokažte, že všechny tyto kruhy mají společnou tečnu, právě když jsou jejich poloměry po sobě jdoucí členy geometrické posloupnosti. 4. (K8) V rovině je dána úsečka AB s vnitřním bodem C, kružnice m s průměrem AC a kružnice n s průměrem CB. Tečna z bodu A se dotýká kružnice n v bodě D a tečna z bodu B se dotýká kružnice m v bodě E. Dokažte, že pro obsahy kruhů ohraničených kružnicemi platí S m : S n = AD 4 : BE 4. 5. (K21) V rovině je dána kružnice k s průměrem CD a uvnitř polopřímky opačné k polopřímce CD je zvolen bod A. Tečna z bodu A ke kružnici k má bod dotyku T a pata kolmice z bodu T na přímku CD je označena B. Dokažte, že AC AD = BC BD. 6. (K22) Nechť C je vnitřní bod oblouku AB dané kružnice. Pak pata kolmice ze středu tohoto oblouku na delší z tětiv AC a CB dělí lomenou čáru ACB na dvě části stejné délky. Dokažte. L i t e r a t u r a [1] Archimed: Sočiněnija. Dostupné na: http://www.math.ru/lib/book/djvu/klassik/arhimed.djvu [2] Bečvář, J.: René Descartes. Prometheus, Praha, 1998. [3] Bečvář, J. Štoll, I.: Archimedes. Prometheus, Praha, 2005. [4] Bečvář, J. Švrček, J.: Arbelos. MFI, roč. 14, č. 9, s. 513 523. [5] Heath, T. L.: The Works of Archimedes. Cambridge University Press, Cambridge, 1897. Dostupné na: https://archive.org/details/worksofarchimede029517mbp [6] Honsberger, R.: Episodes in Nineteenth and Twentieth Century Euclidean Geometry. The Mathematical Association of America, Washington, 1995. [7] Pappus of Alexandria: Book 4 of the Collection. Edited With Translation and Commentary by Heike Sefrin-Weis. Springer, London, 2010. [8] Ostermann, A. Wanner, G.: Geometry by Its History. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2012. [9] Rozenfeld, B. A.: Apollonij Pergskij. MCNMO, Moskva, 2004. Dostupné na: http://www.math.ru/lib/book/pdf/ap of pe.pdf [10] Švrček, J.: Archimedův arbelos. Sborník podzimní školy MAKOS 04, JČMF, Ústí nad Labem, 2005. 94 Matematika fyzika informatika 24 2015